切缝钻机在110工法顶板预裂钻孔施工中的应用研究

李旭涛，范铁君，雷晓辉，吴云鹏

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司 东荣三矿，黑龙江 双鸭山 155100)

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术又称为“110”工法[1，2]，即采用恒阻锚索对巷道顶板加强支护，回采前对巷道正帮侧顶板定向预裂，待工作面推过后，在矿压的作用下，顶板沿预裂切缝自动切落形成巷帮，作为下一个工作面巷道二次使用[3]，实现了一个工作面一条巷道煤柱开采。该技术的实施概括为：“拉得住、切得开、下得来、护得住”。

其中，顶板切得开又是定向预裂的重要环节，因此，定向预裂孔的施工就要专业可靠的钻孔施工设备保证[4]。中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称西安研究院)研制的ZDY2-300LM型煤矿用履带式全液压坑道钻机(以下简称切缝钻机)是一款专门用于顶板预裂钻孔施工的专用设备，2019年初，西安研究院与龙煤集团双鸭山矿业有限公司东荣二矿进行合作，进行了现场推广应用。

1 巷道地质条件

根据东荣二矿生产实际需求，切缝钻机试验场地布置在南四17层二面下料道，南四17层二面平均走向约583m，倾向长约189m，面积为106106.4m2，开采上线标高为-280m，下线标高为-380m，17层煤无伪顶，直接顶为1.25m深灰色粉砂岩，17层煤无直接底，下为4m深灰色粉砂岩，具体地质情况见表1。

表1 南四17层二面顶板地质情况

2 切缝钻机

试验设备采用西安研究院研制的ZDY2-300LM型切缝钻机，是一种可进行煤矿巷道顶板、边帮锚杆(索)孔施工的钻孔设备，主要用于切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术应用。该钻机具有定位精确、移动灵活、施工快速、结构简练、安全可靠、维护方便等优点，可大幅降低工人劳动强度，改善作业环境，提高作业效率。

ZDY2-300LM型切缝钻机外形结构如图1所示，主要由操作台、工作臂、电磁启动器、液压油箱、调角装置、电机泵组、履带车体和散热装置组成，切缝钻机主要技术参数见表2。

图1 ZDY2-300LM型切缝钻机

2.1 调角装置

调角装置主要由调节螺栓、侧推油缸、回转减速器及侧推底板组成，结构如图2所示。通过调节螺栓安装位置的不同，可实现等间距双钻孔2.4m和2.5m同时施工。回转减速器作为工作臂的承载部件，又是工作臂倾角调节机构，可实现垂直于机身方向-30°～+90°范围调节，满足预裂钻孔角度施工要求[5，6]。通过侧推油缸推动侧推底板，实现工作臂垂直于车体方向，外移350mm，补偿钻机机身与巷道侧帮停车距离，解决钻孔角度偏离问题。

表2 切缝钻机主要技术参数

图2 调角装置

2.2 给进装置

给进装置主要由上顶油缸、给进杆组件、给进油缸、回转器组成。在回转减速器作用下，工作机构可以左右偏转一定角度，满足预裂钻孔角度要求，给进装置通过油缸链条组合，实现倍程倍速，提高钻孔效率。

2.3 液压系统

液压系统是切缝钻机的动力源，由隔爆电动机、液压油泵、液压油箱 、冷却器及换向阀等组成，为保证液压系统的正常运行，在泵站上设计有吸油滤油器、回油滤油器、空气滤清器及液位计等保护装置，液压油泵具有交叉传感恒功率控制方式，能感知压力的变化，自动调节泵的排量、系统稳定，性能可靠。

2.4 电气系统

电气系统由一台YBK2-225M-4(660/1140)型隔爆电动机、QJZ2—80(60)/1140(660)矿用隔爆兼本质安全型真空电磁起动器、BZA3-5/36-1J矿用隔爆型急停按钮及DGE24/36L型矿用隔爆型LED机车灯等组成。

3 现场应用情况

3.1 场地条件

切缝钻机在东荣二矿南四17层二面下料道进行推广应用，该巷道为矩形巷道，部分区段11°以上的坡度，煤层平均厚度2.86m，该煤层无伪顶，直接顶为1.25m深灰色粉砂岩，老顶为10.4m灰白色粗砂岩，根据矿方顶板预裂钻孔施工要求钻孔直径50mm，开孔角度10°，孔间距500mm，孔深9000mm。切缝钻孔施工方式如图3所示。

图3 切缝钻孔施工示意图(mm)

3.2 施工工艺

钻孔施工采用ZDY2-300LM型切缝钻机，配套长1000mm的Φ38mm钻杆及Φ50mm PDC三翼弧角钻头，钻机液压系统冷却、钻头冷却采用井下静压水，钻机具有双钻臂结构，双钻臂可同时施工互不干涉。钻机运至下料道之后，自行走至施工场地，通过支腿调整，使得车体平台处于近水平位置，然后通过钻架侧移、回转和上顶稳固，满足顶板爆破预裂钻孔角度要求[7，8]，具体施工流程如图4所示。

图4 钻机工作流程示意图

3.3 试验效果

钻机自2019年1月10日开始陆续钻孔施工，期间由于水便接头磨损，导致耽搁2d，其他机构运转正常。经协调整改，于1月13日正式进行钻孔施工，因钻机施工效率较高，且只需满足钻孔爆破数量需求即可[9，10]，因此钻机只在早班进行施工作业，截至5月中旬，南四17层二面已经全部回采完成，共计施工钻孔1116个。

在打钻施工过程中，以打钻施工各项工序为基础，统计单根安装时间、单根钻进时间和单根卸钻时间，各工序时间对照见表3。

表3 钻机施工钻孔情况统计表

而且统计出，钻机移位、支腿稳固、钻架侧移、上顶稳固、循环介质、单根安装、单根钻进和单根卸钻时间，具体各工序时间对照如图5所示。

图5 钻机施工工序时间对照

西安研究院生产的ZDY2-300LM型切缝钻机与某厂家生产的，在同煤层、同巷道使用的ZLJ1000L型钻机，对比分析两种钻机结构特点，见表4。

对比分析可以看出，就每班总进尺而言，ZDY2-300LM钻机较ZLJ1000L型钻机提高近73%，且在整机功率，散热，加卸钻杆方面有明显优势。需要说明的是，ZDY2-300LM型钻机是针对“110工法”切缝钻孔研制的专用钻机，而且采用双钻臂，可独立操作施工，因此施工效率远远高于非专用钻机。

表4 钻机施工效果对比

4 结 论

切缝钻机在东荣二矿井下工业性试验约四个月，共计施工顶板预裂钻孔1100余个，为后续“110工法”爆破施工及工作面的安全回采奠定了基础，具体应用情况总结如下：

1)切缝钻机在东北地区顶板预裂钻孔施工作业尚属首次，且切缝钻机采用双钻臂施工，与之前矿方所使用的钻机相比，钻孔施工效率提高73%。

2)切缝钻机各项性能均满足“110工法”切缝钻孔施工需求，钻机移动便捷，钻进施工稳定性好，施工效率高，钻臂调整精准，钻孔定位准确；且钻机具有优良的钻孔保直率，为顶板爆破切缝施工提供装备保障。

3)根据现场施工特点，总结了一套适用于切缝钻机的顶板预裂钻孔施工工艺，满足爆破装药孔精准施工要求，为类似条件下“110工法”爆破孔施工提供借鉴。